水泥-膨润土混合材料修复铅污染土的试验研究

曹建忠，李雄威,刘正明,罗元喜

(1.江苏省地质矿产局第二地质大队，江苏 常州 213022; 2.常州工学院土木建筑工程学院,江苏 常州 213032)

0 引言

随着我国城市建设的扩张以及产业布局的调整，许多企业原址场地成为工业污染场地，严重影响了周边的生态环境[1-3]。因此，必须采用相应的措施修复此类污染场地，使其能得到再次开发利用。

固化/稳定化方法(即S/S法)是较为常用的一种污染土修复技术[4]。早期的S/S技术多采用水泥基等胶凝材料与污染土体混合，通过一系列的物理反应和化学反应，减少重金属对地下水的渗入。与其他技术相比，水泥S/S技术有如下优点[5-11]：水泥材料及应用技术都较为成熟，工艺处理过程操作简便可行；可有效处理多种重金属，能使大多数液相废弃物与水泥发生化学作用；形成的水泥固化土具有很好的化学和物理长期稳定性、相对好的力学和结构特性、相对低的渗透性。但与此同时，水泥固化剂也存在诸多不足，如：水泥属于不可再生材料，其生产耗能高，固化土体碱性过大，且强度过高致使二次开发难度较大等，限制了水泥进一步发展成为环境友好型的修复材料。因此有必要研发低碳环保，使土壤修复后易于开发的固化材料。

本研究中将膨润土与水泥按2∶1的质量比进行拌和得到混合材料(记作BC)用作修复铅污染土的固化剂，水泥(PC)作为对照固化剂，测试了BC固化土和PC固化土的pH值及EC值，研究了两种固化土在标准养护7 d和28 d后的环境安全特性和强度特性。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

本研究中的污染土取自江苏省常州市的某厂区。采用X射线荧光光谱仪(XRF)测试土体中重金属含量，采样时将现场取土装入密封袋中密封，安全运至实验室，污染土的基本物理性质和测试方法如表1。试验用膨润土购自于山东省日照市某膨润土加工厂，其基本性质指标见表2。试验所用水泥为325#复合硅酸盐水泥(PC)。将膨润土与水泥按照质量比为2∶1的比例混合，放入PE瓶内密封，并将PE瓶翻转震荡24 h，以便二者混合均匀，24 h后将混合材料取出备用，并记作BC，PC作为对照固化剂。BC和PC的掺量均设定为4%、8%和12%(与污染土干重之比)。

将按掺量计算出的特定质量的固化剂与污染土体进行拌和，采用手持式电动搅拌器高速搅拌10 min。参照规范《绿化种植土壤》(CJ/T 340—2011)，采用静压制样的方法，将约127 g固化土压入直径50 mm，高度50 mm的钢质圆柱体模具内，控制其密度约为1.30 g/cm3，然后将土体脱模并装入密封袋内，并标准养护7 d和28 d。各固化土体制备24个试样，每组设定4个平行样。

表1 试验用污染土基本物理性质

表2 试验用膨润土基本性质指标

1.2 试验方法

本研究中各试样应进行的试验如表1和表2所列。pH值和EC值的测定分别参照美国材料协会规范《土壤pH值测试标准》(ASTM D4972—13)和《绿化种植土壤》(CJ/T 340—2011)进行。

固化土的重金属溶出量测试采用美国环保局规范《毒性滤出试验》(USEPA Test Method TCLP 1311)，参考美国危险废物管理的重要法典《资源保护回收法》(RCRA)关于指定的危险废物鉴别方法分析固化污染土的溶出特性。试样养护龄期为7 d和28 d，各组试样设置4个平行样，取其平均值。

无侧限抗压强度试验参考美国规范《黏土无侧限抗压强度的标准试验方法》(ASTM D2166—2006)，测试固化土的7 d和28 d强度。试验所用仪器为常规的竖向加荷装置，控制轴向应变速度为 1%/min，将试样放置标准养护室养护至规定龄期，各组试样设置4个平行样，取其平均值。

2 试验结果与分析

2.1 固化土理化性质

图1为BC和PC修复前后污染土pH值变化规律。与素污染土相比，7 d龄期和28 d龄期的两种固化土pH值均一致增大。BC固化土和PC固化土的pH值均随固化剂掺量增大而增大，这是由于BC混合材料(水泥和膨润土均为碱性材料，pH>7)和PC均为碱性材料造成的。与7 d龄期相比，28 d龄期的两种固化土pH均有所降低，主要原因为随养护龄期增大，水泥或膨润土吸附了土中越来越多的重金属铅，固化材料中的氢氧根与铅形成共沉淀性质的难溶性碱或CSH等物质，OH-浓度持续降低，因此pH值降低。然而，据相关规范的规定，固化土体pH值在5.5～8.3范围内才适宜植被生长，这表明水泥固化土pH过高，不适于植被生长；相反，掺量为4%和8%的BC固化土(7 d龄期和28 d龄期)的pH值则在此区间内，可以考虑用作种植用土。

图1 BC固化土和PC固化土pH值

图2为BC固化土、PC固化土的7 d和28 d EC值变化规律。 向污染土中加入掺量为4%的BC混合材料在一定程度上降低了土体的EC值，主要原因为BC混合材料吸附了土体中的电解质，如铅、钙等离子；而随BC掺量的增大，其EC值略有上升则是由于BC中的水泥掺量不断增大引起的。然而，与素污染土对比，各龄期、各掺量下的水泥固化土的EC值均呈增大趋势，同等掺量条件下，28 d龄期的水泥固化土EC值小于7 d龄期的EC值，这主要是水泥水化反应持续进行造成的，土体中的电解质不断被固定住，因此EC值有所降低，但始终大于BC混合材料固化土的EC值，表明膨润土的加入可有效降低土体的盐碱度。

图2 BC固化土和PC固化土EC值

2.2 固化土溶出特性

图3(a)为TCLP试验得到的污染土固化修复前后[Pb]溶出量结果，养护龄期分别为7 d和28 d。随养护龄期的增大，两种固化土中的[Pb]溶出量均呈降低趋势，说明两种固化剂与污染土结合后持续地进行物理化学反应，对[Pb]的固定率随时间持续增大；与水泥固化土相比，BC固化土的[Pb]溶出量均较低。根据美国环境保护局(USEPA)和联合国海洋环境保护委员会(MEPC)(2007)的相关规定，土体中[Pb]的溶出量浓度应低于5 mg/L。试验结果显示，在养护7 d后，掺量12%的BC固化土接近规定要求，而水泥固化土则无法达到要求；在养护28 d龄期后，两种固化土的[Pb]均有所降低，其中掺量为8%和12%的BC固化土[Pb]溶出量均低于5 mg/L，满足了规范要求，而水泥固化土的[Pb]则仍无法满足规范要求的限值。与添加了膨润土的BC混合材料相比，水泥无法有效固定住土体中高浓度的重金属，这可能是因土体中的[Pb]阻滞延缓了水泥的水化反应导致的。

图3 BC固化土和PC固化土 TCLP试验[Pb]溶出量

2.3 无侧限抗压强度

图4为7 d和28 d龄期下不同掺量的两种固化土无侧限抗压强度结果。随龄期增长，不论其掺量多少，两种固化土的无侧限强度均有所增长，且与水泥固化土相比，BC固化土增长幅度较小，这主要是由于BC混合材料中水泥的掺量较少引起的；相同龄期下，两种固化土的无侧限抗压强度随固化剂掺量增加而增大，主要是水泥在土体中发生了水化反应，水泥掺量越大，生成的水合硅酸钙(CSH)越多，其强度越大。

我国的工业污染场地多集中在老城区或市郊，随着城市规模的不断扩大，城市布局的进一步变革，修复后的污染场地亟待进行二次开发利用，以缓解日益紧张的城市土地供应，因此从此方面来说，土体强度过大在一定程度上给土体二次开发利用带来了困扰，添加了膨润土的BC混合材料，在满足修复效果的同时，又可避免土体强度过高，便于土地开发利用。

图4 固化土7 d龄期和28 d龄期 无侧限抗压强度

3 结论

1)与PC固化土相比，BC固化土pH值、EC值均较低，且4%和8%的BC固化土pH值和EC值满足植被生长所需的区间值；

2)BC固化土和PC固化土的重金属溶出量均随固化剂掺量的增大而降低，相同掺量时，BC固化土的重金属溶出更低，表明混合材料(膨润土+水泥)对重金属的固定作用更好；

3)无侧限抗压试验结果表明，BC固化土和PC固化土的无侧限抗压强度均随固化剂掺量的增大而增大，但与PC固化土相比，BC固化土的无侧限抗压强度较小，较低的无侧限抗压强度有利于固化土的二次开发利用。

水泥-膨润土混合材料可有效固定土体中的重金属铅，并且避免了土体强度过高，适用于城市污染场修复，便于土地的二次开发利用。

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